第6章半导体二极管和晶体管

第6章半导体二极管和晶体管6.2半导体二极管6.3特殊二极管6.1半导体基础知识6.4双极晶体管第6章半导体二极管和晶体管本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。器件是非线性的、特性有分散性、RC的值有误差，工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。6.1半导体基础知识半导体的导电特性：光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之间的物质。半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。一、本征半导体

完全纯净的、具有晶体结构的鍺、硅、硒，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子1.本征半导体

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征激发：空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。2.热激发与复合现象

由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象-----热激发

温度一定时，本征半导体中的自由电子—空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子—空穴对数目越多。

自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象.自由电子和空穴都称为载流子。3.本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（漂移运动），在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，

半导体中载流子便维持一定的数目。半导体有两种导电粒子（载流子）：自由电子、空穴

在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。注意：

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。二、杂质半导体

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。多数载流子（多子）：自由电子少数载流子（少子）：空穴1.N型半导体2.P型半导体

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si多子：空穴少子：自由电子B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba

结论：不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。即N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。三、PN结1.PN结的形成PN结：P型半导体和N型半导体交界面的特殊薄层PN结是由扩散运动形成的自由电子PN空间电荷区内电场方向空穴PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结

扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强漂移运动增强内电场增强两者平衡PN结宽度基本稳定外加电压平衡破坏扩散强漂移强PN结导通PN结截止2.PN结的单向导电性(1)PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF

内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流基本是多子的扩散电流——正向电流。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN结变宽(2)PN结加反向电压（反向偏置）外电场

内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－

注：PN结加反向电压时：PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流----反向电流特点:受温度影响大原因:反向电流是靠热激发产生的少子形成的3.

PN结的伏安特性反向击穿电压U(BR)导通压降正向特性反向特性UI死区电压6.2半导体二极管一、二极管的基本结构（一个PN结）(a)点接触型(b)面接触型

结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型

用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)符号D二、伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。三、主要参数1.最大整流电流

IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3.反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。

2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳>V阴或UD为正，二极管导通若V阳<V阴或UD为负，二极管截止若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。电路如图，求：UABV阳=－6V，V阴=－12VV阳>V阴，二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–解：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳=－6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，钳位，使D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V例2:流过D2

的电流为求：UABD2：钳位作用，D1：隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–解：ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例3：二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––解：6.3特殊二极管

一、稳压二极管1.符号UZIZIZMUZIZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO3.主要参数(1)稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)电压温度系数ｕ环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)动态电阻(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。1.发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，为1.5V~3V，电流为几~十几mA二、其他二极管2.光电二极管反向电压作用下工作。无光照时为暗电流；有光照时为光电流。光电流随光照强度的增加而上升，但一般很小，只有几十微安，应用时须进行放大。IU照度增加符号光电二极管发光二极管3.光电晶体管用入射光控制集电极电流。无光照时为暗电流；有光照时为光电流，约零点几毫安到几个毫安。EC光电晶体管6.4双极晶体管一、双极晶体管的基本结构NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结：面积大BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大二、双极晶体管的工作原理1.三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

晶体管电流放大的实验电路设EC=6V，改变可变电阻RB,则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，测量结果如下表：2.各电极电流关系及电流放大作用mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）IC

IB

把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。

实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。晶体管电流测量数据3.三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基区空穴向发射区的扩散可忽略。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。

进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。3.三极管内部载流子的运动规律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBEICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数集－射极穿透电流,温度ICEO(常用公式)若IB=0,则

ICICE0三、双极晶体管的特性曲线特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线：1）直观地分析管子的工作状态2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线

发射极是输入回路、输出回路的公共端

共发射极电路测量晶体管特性的实验线路输入回路输出回路ECICEBmAAVUCEUBERBIBV++––––++1.输入特性特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。正常工作时发射结电压：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区在放大区有IC=IB

，也称为线性区，具有恒流特性。条件：发射结正向偏置

集电结反向偏置IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB<0以下区域为截止区，有IC0，UCE

UCC。条件：发射结反向偏置、集电结反向偏置饱和区截止区（3）饱和区UCEUBE时，饱和状态。UCE

0,ICUCC/RC。条件：发射结正向偏置

集电结正向偏置

3.主要参数1.电流放大系数，直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时，表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：和

的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的

值在20~200之间。2.集-基极反向截止电流ICBO

ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBOICBOA+–EC3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。4.集电极最大允许电流ICM5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。当集—射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)

CEO。6.集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。

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